大面積高精度衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化與控制研究.pdf

1、大面積高精度衍射光柵是大型空天地觀測(cè)儀器的核心光學(xué)器件，由于其大尺寸高精度的要求，機(jī)械式刻劃是其唯一的制造方式。光柵刻劃?rùn)C(jī)的整體精度要求極高，而機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)是其精度的決定性因素，二者關(guān)系緊密，不可分割，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)也就成為了光柵刻劃?rùn)C(jī)研究的核心，進(jìn)行光柵刻劃?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論和控制理論的研究也是提高光柵刻劃?rùn)C(jī)制造技術(shù)水平的關(guān)鍵。隨著各項(xiàng)大型天文物理項(xiàng)目的不斷開(kāi)展，對(duì)大面積高精度的衍射光柵制造精度提出了更高的要求。光柵刻線密度

2、、刻線質(zhì)量（直線度、槽型）由光柵刻劃?rùn)C(jī)定位精度和刀尖軌跡直接決定。因此，定位精度和刀尖軌跡是影響光柵光學(xué)性能的主要因素。本論文以衍射光柵刻劃?rùn)C(jī)作為實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用對(duì)象，對(duì)影響其精度的核心——刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)兩方面進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制研究。
　　 由于光柵刻劃?rùn)C(jī)的零部件的加工精度要求高、制造難度大、周期長(zhǎng)且造價(jià)昂貴，無(wú)法在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中反復(fù)進(jìn)行樣機(jī)的試制，因而需要采用基于CAD/CAE集成技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)手段進(jìn)行光柵刻劃?rùn)C(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究。

3、首先探索了基于Parasolid的CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)方法、CAE技術(shù)特點(diǎn)，同時(shí)研究CAD/CAE集成技術(shù)和設(shè)計(jì)模式，結(jié)合以上理論提出一個(gè)開(kāi)發(fā)效率高，可移植性和可擴(kuò)展性很強(qiáng)的通用CAD/CAE集成軟件框架系統(tǒng)。同時(shí)為了進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)CAE分析以及優(yōu)化工作，著重分析光柵刻劃?rùn)C(jī)的刻劃系統(tǒng)和分度系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，基于CAD參數(shù)化建模技術(shù)建立了光柵刻劃?rùn)C(jī)整體虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行了光柵刻劃的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究。
　　 光柵劃?rùn)C(jī)機(jī)作為典型的超精密光機(jī)電一

4、體化機(jī)械系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)與優(yōu)化需要一個(gè)綜合的性能分析作為指導(dǎo)，本文中研究了光柵成像理論、計(jì)算傅里葉光學(xué)理論以及有限元模態(tài)分析，將其結(jié)合用于光柵刻劃?rùn)C(jī)刻劃系統(tǒng)的振動(dòng)問(wèn)題分析，找出了刻劃系統(tǒng)造成刻線誤差的主要因素——刀架導(dǎo)軌的振動(dòng)，并提出結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化方案，取得了良好的優(yōu)化效果。
　　 考慮到分度系統(tǒng)定位工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度要求，開(kāi)展了基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化理論研究工作，為了提高多目標(biāo)優(yōu)化的準(zhǔn)確性，提出了基于Pro/E-Matla

5、b集成優(yōu)化技術(shù)的集成優(yōu)化平臺(tái)，運(yùn)用Pro/E平臺(tái)進(jìn)行精確的實(shí)體模型CAE分析，基于分析結(jié)果在Matlab平臺(tái)進(jìn)行多目標(biāo)最優(yōu)解搜索，以光柵刻劃?rùn)C(jī)分度系統(tǒng)定位工作臺(tái)為實(shí)例進(jìn)行了多目標(biāo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化平臺(tái)的正確性。
　　 最后進(jìn)行了光柵刻劃?rùn)C(jī)分度系統(tǒng)的控制研究以及刻線誤差分析，從狀態(tài)空間角度分析了光柵刻劃?rùn)C(jī)控制模型可控性和可觀性，提出將基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制方法用于光柵刻劃?rùn)C(jī)定位系統(tǒng)控制，并進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)調(diào)試，最終